DE1217166B

DE1217166B - Ball friction gear with swiveling balls

Info

Publication number: DE1217166B
Application number: DE1961K0044880
Authority: DE
Inventors: Manabu Kashihara
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1960-11-04
Filing date: 1961-10-06
Publication date: 1966-05-18
Also published as: CH399855A; GB919430A

Description

Kugelreibungsgetriebe mit schwenkbaren Kugeln Die Erfindung betrifft ein Kugelreibungsgetriebe mit schwenkbaren Kugeln, die zwischen einem Paar inneren Kegelrädern auf der treibenden und der koaxialen getriebenen Welle im Eingriff stehen und bei dem das Übersetzungsverhältnis durch den Winkel zwischen der Eigendrehachse der Kugeln und der Hauptachse des Getriebes bestimmt ist. Derartige Getriebe mit einem Betätigungshebel zum Ändern der Neigung von die Kugeln durchsetzenden Kugeldrehachsen sind bekannt. Sie weisen ausgezeichnete Eigenschaften in bezug auf die Änderung des Übersetzungsverhältnisses innerhalb eines großen Bereichs auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, konstruktionstechnische Schwierigkeiten in der Lagerung der Kugeln zu vermeiden, einen günstigen Druckkontakt zwischen den Kugeln und den im Eingriff befindlichen Teilen herzustellen und die Abstützkraft auf einen verhältnismäßig großen Bereich zu verteilen, um günstige Druckkontaktbedingungen zu schaffen, so daß das Getriebe eine verhältnismäßig große Kraft -übertragen kann.Ball friction gear with pivotable balls The invention relates to a ball friction gear with pivotable balls, which are in engagement between a pair of inner bevel gears on the driving and the coaxial driven shaft and in which the gear ratio is determined by the angle between the natural axis of rotation of the balls and the main axis of the gear . Such gears with an actuating lever for changing the inclination of ball axes of rotation passing through the balls are known. They have excellent characteristics of changing the gear ratio within a wide range. The invention is based on the object of avoiding structural difficulties in the storage of the balls, to produce a favorable pressure contact between the balls and the parts in engagement and to distribute the supporting force over a relatively large area in order to create favorable pressure contact conditions, so that the Transmission can transmit a relatively large amount of force.

Ein Vorteil des Getriebes nach der Erfindung besteht in einer vereinfachten Konstruktion und langen Lebensdauer mit niedrigen Fertigungskosten.One advantage of the transmission according to the invention is that it is simplified Construction and long life with low manufacturing cost.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Oberfläche jeder Kugel ein Kugelkranz läuft, der in einer Aussparung eines Zahnsegments gelagert ist, und daß das Zahnsegment zur Verschwenkung der durch den Mittelpunkt der Kugel und den Mittelpunkt des. Kugelkranzes verlaufenden Achse in der Ebene der Hauptachse des Getriebes schwenkbar ist Bei in anderer Weise ausgebildeten Kugelreibungsgetrieben ist es bekannt, die Kugeln auf kleineren Kugeln, welche in Kugelkränzen auf Meridiankreisen angeordnet sind, zu lagern oder abzustützen.The object is achieved according to the invention in that on The surface of each ball has a ball ring running in a recess of a tooth segment is mounted, and that the toothed segment for pivoting through the center of the sphere and the center of the axis running in the plane the main axis of the gearbox is pivotable in the case of ball friction gears designed in a different way it is known that the spheres on smaller spheres, which in spherical rings on meridian circles are arranged to be stored or supported.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. In den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Getriebe nach der Erfindung, F i g. 2 ebenfalls einen Längsschnitt durch das Getriebe nach F i g. 1, wobei jedoch das Getriebe in der Stellung gezeigt ist, die einem Übersetzungsverhältnis 1 entspricht, F i g. 3 einen Querschnitt nach Linie III-III in F i g. 2, F i g. 4 die Druckkontaktverhältnisse des Getriebes nach der Erfindung, verglichen mit einen herkömmlichen F i g. Getriebe 5 einen ' Längsschnitt durch ein Getriebe nach der Erfindung, das mit Ausnahme seiner Tandemkonstruktion ähnlich wie das, in F i g. 1 gezeigte Getriebe konstruiert ist, und -- F i g. 6 einen Längsschnitt durch ein weiteres Getriebe nach der Erfindung, wobei die Umdrehung der großen Kugeln auf die getriebene Welle übertragen wird.Further features of the invention emerge from the subclaims. In the drawings some embodiments of the invention are shown by way of example, namely FIG. 1 shows a longitudinal section through a transmission according to the invention, FIG. 2 also shows a longitudinal section through the transmission according to FIG. 1, but the transmission is shown in the position which corresponds to a gear ratio 1 , F i g. 3 shows a cross section along line III-III in FIG. 2, Fig. 4 shows the pressure contact conditions of the transmission according to the invention compared with a conventional FIG. Transmission 5 is a 'longitudinal section through a transmission according to the invention which is similar with the exception of its Tandem construction as that in g F i. 1 is constructed, and - F i g. 6 shows a longitudinal section through a further transmission according to the invention, the rotation of the large balls being transmitted to the driven shaft.

In F i g. 1 ist das Gethebegehäuse mit. 1, die treibende Welle mit 2 und di6 -getriebene Welle mit 3 bezeichnet. Die treibende W81le 2- ist in Lagern 5, 5' in einem auf dem Getriebegehäuse 1 vorgesehenen Ge- häuse 4 und die getriebene Welle 3 in Lagern 7, 7' in einem Gehäuseteil 6 d'rehbaf gelagert.In Fig. 1 is the lift housing with. 1, the driving shaft with 2 and di6 -driven shaft with 3 . The driving W81le 2- is in bearings 5, 5 'in a housing provided on the transmission case 1 part by 4 and the driven shaft 3 in bearings 7, 7' mounted d'rehbaf in a housing part. 6

Auf der treibenden- Welle 2 ist -ein Bund 9 angeordnet, und auf ihr Ende ist mittels eines Federkeils 11 ein Kegelrad 10 aufgekeilt. Der Bund 9 auf der treibenden Welle 2 liegt der Seitenfläche des inneren Laufrings des Lagers 5' gegenüber, und zwischen dem Bund 9 und dem Kegelrad 10 ist eine Feder 12 zum Erzeugen von Eingriffsdrücken zwischen den Kegelrädern 10 und mehreren großen Kugeln 13 angeordnet. Die Abtriebsseite ist ähnlich gebaut und weist einen Bund 14, ein Kegelrad 15, einen Federkeil 16 und eine Feder 17 auf, um Eingriffsdrücke zwischen dem Kegelrad 15 und den Kugeln 13 herzustellen. A collar 9 is arranged on the driving shaft 2, and a bevel gear 10 is keyed onto its end by means of a spring wedge 11. The collar 9 on the driving shaft 2 faces the side surface of the inner race of the bearing 5 ' , and between the collar 9 and the bevel gear 10 is a spring 12 for generating engagement pressures between the bevel gears 10 and several large balls 13 . The output side is constructed similarly and has a collar 14, a bevel gear 15, a spring wedge 16 and a spring 17 in order to produce engagement pressures between the bevel gear 15 and the balls 13 .

Jeder Kugel liegt an einem Meridiankreis auf ihrer Oberfläche ein Kugelkranz 18 an und dreht sich während der Kraftübertragung um eine Achse X-X, die durch den Kugehnittelpunkt 0 und den Mittelpunkt 0' des Kugelkranzes hindurchgeht. Jeder Kugelkranz 18 wird auf einer Laufbahn gehalten, die auf dem konkaven Teil 21 eines in eine Zahnstange 19 eingreifenden Zahnsegments 20 angeordnet ist.' Jede Zahnstange 19 für jedes Zahnsegment 20 greift in eine an dem gemeinsamen Ring 24 vorgesehene Axialnut ein, an der sie auch befestigt ist. Alle Zahnsegmente 20 werden gleichzeitig bewegt, um dieselbe Phasenlage einzunehmen, -und zwar durch einenBedienungsgriff 22, der an dem Ring 24 befestigt ist und einen in dem Getriebegehäuse 1 vorgesehenen Schlitz 23 durchsetzt.Each ball is located on a meridian circuit on its surface a ball ring 18 and rotates during the power transmission about an axis XX passing through the Kugehnittelpunkt 0 and the center 0 'passing of the ball ring. Each ball ring 18 is held on a raceway which is arranged on the concave part 21 of a toothed segment 20 engaging in a toothed rack 19. Each toothed rack 19 for each toothed segment 20 engages in an axial groove provided on the common ring 24, to which it is also attached. All toothed segments 20 are moved simultaneously in order to assume the same phase position, by means of an operating handle 22 which is fastened to the ring 24 and passes through a slot 23 provided in the gear housing 1 .

In dem vorstehend erläuterten Getriebe erfolgt die Kraftübertragung durch die treibende Welle 2, das Kegelrad 10, die Kugeln 13, das Kegelrad 15 und die getriebene Welle 3. Die Erzeugung der Eingriffsdrücke zwischen den Kugeln 13 und dem Kugelkranz 18 erfolgt durch das - Zusammenwirken der Reaktionskraft zwischen dem Kegelrad 10 und den Kugeln 13 und einer Reaktionskraft zwischen dem KegeIrd 15 und den Kugeln 13. In the above transmission, the force is transmitted by the driving shaft 2, the bevel gear 10, the balls 13, the bevel gear 15 and the driven shaft 3. The generation of the engagement pressures between the balls 13 and the ball ring 18 is effected through the - interaction of the reaction force between the bevel gear 10 and the balls 13 and a reaction force between the KegeIrd 15 and the balls 13.

Während der Kraftübertragung dreht sich jede Kugel um die Achse X-X. Wenn der Wirkungsradius des Kegelrads 10 gleich dem Wirkungsradius des Kegelrads 15 ist, dann ergibt sich eine Drehgeschwindigkeitsdifferenz zwischen den Kegelrädem 10, 15 proportional zu RI-R,. R, und R, sind die Entfernungen von der Achse X-Xzum Druckpunkt des Kegelrads 10 bzw. 15. During the power transmission, each ball rotates around the axis XX. If the effective radius of the bevel gear 10 is equal to the effective radius of the bevel gear 15 , then there is a difference in rotational speed between the bevel gears 10, 15 proportional to RI-R,. R, and R, are the distances from the X-X axis to the pressure point of the bevel gear 10 and 15, respectively.

In dem in F i g. 1 gezeigten Zustand wird die Drehgeschwindigkeit der treibenden Welle 2 zu der getriebenen Welle 3 verringert, bei dem in F i g. 2 dargestellten Zustand dreht sich die getriebene Welle 3 mit der gleichen Geschwindigkeit wie die treibende Welle 2. Das Getriebe steigeft die Geschivindigkeit der getriebenen Welle 3 durch Verstellen des Griffes 22 aus seiner in F i g. 2 veranschaulichten Stellung nach rechts und verringert die Geschwindigkeit der getriebenen Welle 3 durch Verstellen des Griffes 22 aus seiner in F i g. 2 gezeigten Stellung nach links.In the one shown in FIG. 1 , the rotational speed of the driving shaft 2 to the driven shaft 3 is reduced, in which in FIG. 2, the driven shaft 3 rotates at the same speed as the driving shaft 2. The transmission increases the speed of the driven shaft 3 by adjusting the handle 22 from its position in FIG. 2 to the right and reduces the speed of the driven shaft 3 by adjusting the handle 22 from its position in FIG. 2 position shown to the left.

Ein Vorteil des oben beschriebenen, stufenlos regelbaren Getriebes besteht darin, daß die Kugeln 13 keine Welle haben, sowie -in einer ziemlich einfachen Ausbildung des Lagermechanismus. Ein anderer Vorteil des Getriebes besteht darin, daß die Druckkontaktverhältnisse zwischen den Kugeln 13 und den Kegelrädern 10, 15 günstig sind. Wenn zwei Kegelmäntel C, und C, entsprechend F i g. 4 a und 4 b angenommen werden, die Stellen von Hertzschen Pressungsbereichen enthalten, dann ergibt sich folgendes übersetzungsverhältnis s: Hierbei ist - r, der auf dem Kegelmantel C, gegebene Wirkungsradius, r, ma#, der Höchstwert von rl, r,mi. der Mindestwert von rl, r2 der auf dem Kegelmantel C2 gegebene Wirkungsradius, r2mam der Höchstwert von r2, r2 i. der Mindestwert von r..An advantage of the continuously variable transmission described above is that the balls 13 do not have a shaft, and in a fairly simple design of the bearing mechanism. Another advantage of the transmission is that the pressure contact conditions between the balls 13 and the bevel gears 10, 15 are favorable. If two cone shells C, and C, corresponding to F i g. 4 a and 4 b are assumed to contain places from Hertzian pressure areas, then the following transmission ratio s results: Here - r, the radius of action given on the surface of the cone C, r, ma #, the maximum value of rl, r, mi. the minimum value of rl, r2 the radius of action given on the cone shell C2 , r2mam the maximum value of r2, r2 i. the minimum value of r ..

Der maximale Übersetzungsbetrag im Hertzschen Pressungsbereich wird mit einem Wert proportional zu dem obenerwähnten angegeben.The maximum translation amount in the Hertzian compression range is given with a value proportional to the above.

Soviel bekannt ist, nehmen die herkömmlichen stufenlos regelbaren Getriebe dieser Art eine Form an, wie sie in F i g. 4b und 4b' gezeigt ist, und es ergibt sich folgendes Übersetzungsverhältnis s: In diesem Fall treibt ein Punkt mit einer Höchstgeschwindigkeit einen Punkt mit einer Mindestgeschwindigkeit und umgekehrt. Das Übersetzungsverhältnis nimmt dann im Vergleich zu dem Wert bei einem Getriebe nach der Erfindung, bei dem ein Punkt mit einer Höchstgeschwindigkeit einen Punkt mit einer Höchstgeschwindigkeit treibt und umgekehrt, einen sehr hohen Wert an. Das bedeutet, daß das Getriebe nach der Erfindung durch Steigern der Berührungsdrücke in kleiner Größe hergestellt werden kann oder daß es durch Verbessern der Berührungsdruckverhältnisse sehr haltbar gebaut werden kann. Weiterhin verschiebt sich, da die Kugeln 13 in dem erfindungsgemäßen Getriebe nicht auf irgendeiner Welle gelagert sind, die Kreisbahn der Berührungsdruckpunkte allmählich, und ein kleiner Kreis auf der Kugel, auf den bisher kein Berührungsdruck ausgeübt wurde, wird nunmehr in den Berührungsdruck einbezogen. Demzufolge werden die großen Kugeln nicht an einem bestimmten Teil abgenutzt.As far as is known, the conventional continuously variable transmissions of this type take a form as shown in FIG. 4b and 4b 'is shown, and the following transmission ratio s results: In this case, a point at a maximum speed drives a point at a minimum speed and vice versa. The gear ratio then assumes a very high value compared to the value in a transmission according to the invention, in which a point with a maximum speed drives a point with a maximum speed and vice versa. This means that the transmission according to the invention can be made in a small size by increasing the contact pressures or that it can be made very durable by improving the contact pressure ratios. Furthermore, since the balls 13 are not mounted on any shaft in the transmission according to the invention, the circular path of the contact pressure points shifts gradually, and a small circle on the ball, on which no contact pressure has previously been exerted, is now included in the contact pressure. As a result, the large balls will not wear out at a specific part.

Das Kegelrad 10 oder das Kegelrad 15 in dem in F i g. 1 gezeigten Getriebe kann durch ein Scheibenrad oder eine Kugel ersetzt werden. Weiter kann in das Getriebe zwischen dem Kugelkranz 18 und der Kugel 13 ein Laufglied mit Mittelöffnung eingesetzt werden.The bevel gear 10 or the bevel gear 15 in the FIG. 1 can be replaced by a disc wheel or a ball. Furthermore, a running member with a central opening can be inserted into the transmission between the ball ring 18 and the ball 13.

Das in F i g. 5 gezeigte, stufenlos regelbare Getriebe kann als eines betrachtet werden, in dem zwei Getriebeeinheiten gemäß F i g, 1 in Reihe geschaltet und in einem gemeinsamen Getriebegehäuse eingebaut sind. Bei diesem Getriebe werden zwei Getriebesätze durch einen gemeinsamen Griff betätigt. Die Übertragung der Kraft auf die getriebene Welle 39 erfolgt in diesem Getriebe durch ein Kegelrad 32 auf der Antriebswelle 31, die Kugeln 33, das Kegelrad 34, eine axiale Anpreßvorrichtung mit im Eingriff stehenden Kugeln und Nocken 35 zum Erzeugen der Eingriffsdrücke, ein Kegelrad 36, die Kugeln 37 und ein Kegelrad 38. Die Merkmale dieses Getriebes sind die gleichen wie die bei dem in F i g. 1 gezeigten Getriebe.The in Fig. The continuously variable transmission shown in FIG. 5 can be regarded as one in which two transmission units according to FIG. 1 are connected in series and installed in a common transmission housing. With this gear, two gear sets are operated by a common handle. The transmission of the power to the driven shaft 39 takes place in this gear through a bevel gear 32 on the drive shaft 31, the balls 33, the bevel gear 34, an axial pressing device with meshing balls and cams 35 for generating the engagement pressures, a bevel gear 36, the balls 37 and a bevel gear 38. The features of this transmission are the same as those of the one in FIG. 1 shown transmission.

Wenn von der Voraussetzung ausgegangen wird, daß jede Einheit mit einem Übersetzungsbereich von 1/3 bis 3 gebaut ist, dann besitzt dieses Getriebe einen großen, von 1/,i bis 9 reichenden Übersetzungsbereich.If it is assumed that each unit is built with a ratio range from 1/3 to 3 , then this gear unit has a large ratio range from 1 /, i to 9 .

F i g. 6 zeigt ein weiteres, stufenlos regelbares Getriebe nach der Erfindung, welches ein feststehendes Kegelrad 40, ein drehbares Kegelrad 41 und einen drehbaren Ring 42 aufweist. Ein Drehen des feststehenden Kegekads 40 wird durch einen Stiftbolzen 43 verhindert. Das drehbare Kegelrad 41 ist mittels eines Federkeils 45 auf die treibende Welle 44 aufgekeilt. Das Kegelrad 40 und das Kegelrad 41 greifen mehrere Kugeln 46 an, und um geeignete Eingriffsdrücke zu erzeugen, sind zwischen der unteren Begrenzungsfläche der Ausnehmung 48 des Kegelrads 41 und einer auf das Ende der treibenden Welle 44 aufgeschraubten Mutter 49 Federn 47 eingefügt.F i g. 6 shows a further, continuously variable transmission according to the invention, which has a fixed bevel gear 40, a rotatable bevel gear 41 and a rotatable ring 42. A pin bolt 43 prevents the stationary Kegekad 40 from rotating. The rotatable bevel gear 41 is keyed onto the driving shaft 44 by means of a spring wedge 45. The bevel gear 40 and the bevel gear 41 engage a plurality of balls 46, and springs 47 are inserted between the lower boundary surface of the recess 48 of the bevel gear 41 and a nut 49 screwed onto the end of the drive shaft 44 in order to generate suitable engagement pressures.

Kugelkränze 50 und Zahnsegmente 51 sind ähnlich dem in F i g. 1 gezeigten Getriebe vorgesehen, jedoch ist der Ring 42, der die Zahnstange 53 hält, nicht feststehend ausgebildet, sondern steht axial bewegbar übdr eine Federnut 55 mit der getriebenen Welle 54 im Eingriff. Auf seiner zylindrischen Umfangsfläche ist der Ring 42 mit einer Nut 56 versehen, und ein vorstehender, auf einer Steuerstange mit Schraubengewmde angeordneter Teil 57 einer Vorschubinutter 58 greift in diese Nut 56 ein. Die Änderung der Geschwindigkeit erfolgt durch Drehen eines an der Steuerstange 59 angebrachten Griffes 60. Bei dem vorstehend beschriebenen Getriebe erfolgt die Kraftübertragung auf die getriebene Welle 54 über die treibende Welle 44, den Keil 45, das Kegelrad 41, die Kugeln 46, den Kugelkranz 50, das Zahnsegment 51, die Zahnstangen 53 und den drehbaren Ring 42. Der Mechanismus der Kraftübertragung arbeitet nach Art eines Umlaufrädergetriebes, und die Umdrehung der Kugeln 46 um die Achslinie der getriebenen Welle 54 wird auf diese getriebene Welle 54 übertragen. Die getriebene Welle 54 des Getriebes kann die treibende Welle sein und dann kann die treibende Welle 44 die getriebene Welle sein.Ball races 50 and gear segments 51 are similar to that in FIG. 1 is provided, but the ring 42 that holds the rack 53 is not designed to be stationary, but is axially movable via a keyway 55 with the driven shaft 54 in engagement. The ring 42 is provided with a groove 56 on its cylindrical circumferential surface, and a protruding part 57 of a feed nut 58 , which is arranged on a control rod with screw thread, engages in this groove 56 . The change of the speed by rotating a mounted on the control rod 59 the handle 60. In the above transmission, the power is transmitted to the driven shaft 54 via the driving shaft 44, the wedge 45, the bevel gear 41, the balls 46, the ball ring 50 , the toothed segment 51, the racks 53 and the rotatable ring 42. The mechanism of power transmission works in the manner of an epicyclic gear, and the rotation of the balls 46 about the axis line of the driven shaft 54 is transmitted to this driven shaft 54. The driven shaft 54 of the transmission can be the driving shaft and then the driving shaft 44 can be the driven shaft.

Der äußerste Wert für die Drehgeschwindigkeit der getriebenen Welle 54 ist aus folgender Tabelle ersichtlich. Praktisch nimmt die Drehgeschwindigkeit der getriebenen Welle nicht endlos zu, auch wenn die Achse X-X durch den Punkt P hindurchgeht. Es ist ratsam, bei diesem Getriebe Mittel zum Begrenzen des Hubs des Ringes 42 vorzusehen, um eine Stellung zu vermeiden, bei der ein übermäßig hoher Druck erzeugt wird.The outermost value for the speed of rotation of the driven shaft 54 can be seen from the following table. In practice, the rotational speed of the driven shaft does not increase endlessly, even if the axis XX passes through the point P. It is advisable to provide means for limiting the stroke of the ring 42 in this transmission in order to avoid a position in which an excessively high pressure is generated.

Claims

Claims: 1. Ball friction gears with pivotable balls which are in engagement between a pair of inner bevel gears on the driving and the coaxial driven shaft and in which the gear ratio is determined by the angle between the natural axis of rotation of the balls and the main axis of the gear, d a d characterized in that on the surface of each ball (13) a ball ring (18) runs, which is mounted in a recess of a tooth segment (20), and that the tooth segment for pivoting the through the center (0) of the ball and the center ( 0 ') of the ball and ring axis (XX) is pivotable in the plane of the main axis of the transmission.

2. Friction transmission according to claim 1, characterized in that all toothed segments (20) can be pivoted jointly by a ring (24) which is assigned to the individual toothed segments and which carries racks (19) and is displaceable in the direction of the main axis of the transmission. 3. Friction transmission according to claim 2, characterized in that the bevel gears (10, 15) are pressed against the surface of the balls (13) by the pressure of springs (9, 14).

Documents considered: German Patent No. 866 748; Swiss Patent No. 130 510; French Patent Nos. 530 635, 1116 854; British Patent No. 447,737.